对地观测系统未来发展趋势及其技术需求

对地观测系统未来发展趋势及其技术需求对地观测系统和技术实现了全球实时的观测，在获取全球表面和深部的时空信息方面发挥越来越重要的作用，为环境监测和地球系统科学研究提供了基础条件。本文从对地观测卫星、传感器向高分辨率发展、对地观测卫星向网络化发展和对地观测系统向综合与协作发展3个方面论述了国内外对地观测系统未来发展的趋势，并从国家资助的角度、设备开发能力以及在其他领域的潜在应用价值、开发的成本、投入使用的时间需求等圈定有限资助的技术范围，确定了未来对地观测在9个方面的技术需求。引言全球对地观测系统包括地面遥感车、气球、飞艇、火箭、人造卫星、航天飞机和太空观测站等多个观测地球的平台相互配合使用，搭载各种用途的传感器，能够实现对全球陆地、大气、海洋等进行立体、实时观测和动态监测。全球对地观测系统提供的宏观、准确、综合、连续多样的地球表面信息和数据，改变了人类获取地球系统数据和对地球系统的认知方式，对科学创新起到基础性支撑作用。对地观测技术是尖端的综合性技术，涉及航天、光电、物理、计算机、信息科学等诸多应用领域。对地观测技术是对地观测系统的关键组成部分，侧重突出了技术层面，而对地观测系统则是理论、技术及应用的集成。对地观测技术的发展及其相关信息的获取正日益成为开展地球科学研究的关键前沿技术，是了解和把握资源与环境的态势，解决人类面临的资源紧缺、环境恶化、人口剧增、灾害频发等一系列重大问题的重要技术手段，在资源、环境、土地、农业、林业、水利、城市、海洋、灾害等领域的调查、监测、管理，进而实现对环境和灾害的预测、预报和预警，以及支撑经济和社会的可持续发展方面具有重大作用。对地观测技术得到了长足发展，空间分辨率正在以每10年一个数量级的速度提高，高分辨率、超高分辨率信息已经成为21世纪前10年新一代遥感卫星空间分辨率的基本发展方向。对同一地面目标进行重访周期日益缩短，具有中空间分辨率的遥感卫星的重访周期已经小于1天；卫星所携带的传感器工作波段覆盖了自可见光、红外到微波的全波段范围；波段数已达数十甚至数百个，微波遥感的波长范围从1mm～100cm，差分干涉测量精度可达厘米～毫米级，实现了全天时、全天候的对地观测。在对地观测技术突飞猛进的同时，对地观测活动的联合与协调也逐步地加强。大气层、水资源、碳循环、海洋等对地观测内容具有全球性，没有任何一个国家或机构能独立解决这些问题。科学界逐渐认识到，当前各国地球观测计划和遥感资料的应用存在着重复，需要通过协调和合作使对地观测国际化。通过兼容目前国际上重要的观测系统，协调目前全球各自独立运行的各种环境监测平台、资源和网络，发展综合、持续的地球观测系统，支持系统间的协同工作能力；对用户需求达成共识、信息共享并且提高将信息传递给用户的能力。通过GEOSS，人类将会对地球系统进行更完全、更综合的观测和认识，并扩展在全球范围的观测、监测与预警能力。对地观测系统未来发展趋势一、对地观测卫星、传感器向高分辨率发展随着对地观测技术的进步以及人们对地球资源和环境的认识不断深化，用户对高分辨率遥感数据的质量和数量的要求在不断提高。高分辨率卫星影像主要包括的特征有：地物纹理信息丰富；成像光谱波段多；重访时间短。高分辨率遥感卫星最初是用来获取敌对国家经济、军事情报，以及地理空间数据。到1999年，美国太空成像公司第一颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS的发射成功，开创了商业高分辨率遥感卫星的新时代。美国商业高分辨率卫星产业在短短7年内取得了巨大的进展，目前在轨运行的1m分辨率以上的卫星有4颗，分别是空间成像公司的IKONOS（1m）、数字地球公司的Quikbird（0.61m）、轨道影像公司的Orbview-3（1m）和以色列成像卫星国际公司EROS-B1（0.5m）。尽管目前美国是世界军民两用成像卫星市场的主导者，但其他国家部分分辨率稍低的卫星也对其形成一定的竞争。这其中主要包括：以色列的EROS-A卫星，分辨率为1~1.8m；法国的SPOT卫星，分辨率2.5m；台湾的“华卫2号”卫星，分辨率为2m。而在2006年，部分国家还发射了一些分辨率在1m以内的光学成像卫星，包括：以色列的EROS-B卫星，分辨率为0.7m；俄罗斯的“资源-DK”卫星，分辨率为1m；印度的“制图星-2”，分辨率为1m；韩国的“多用途卫星-2”（Kompsat-2），分辨率为1m。基于提升市场竞争力的考虑，2007年内美国将发射分辨率可以达到0.5m以内的高分辨率卫星“世界观测（Worldview，0.5m）”和“轨道观测-5（Orbview-5，0.41m）”。可以肯定，今后发射的卫星，其影像空间分辨率将会越来越高，大有接近甚至超过军用卫星的发展趋势。二、对地观测卫星向网络化发展任何一颗卫星无论技术多么先进也不可能满足所有的用户需求。国际上卫星遥感技术的迅猛发展，将在未来几十年把人类带入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。由各种高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星相协同，高、中、低分辨率相弥补而组成的全球对地观测系统，能够准确有效、快速及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的对地观测数据。未来的对地观测卫星系统将采用对地观测网络，来克服以前对地观测卫星系统大型的、昂贵的卫星平台以及放置设计的众多传感器和各种冗余部件的昂贵造价。对地观测网络将对地观测星座的卫星综合在一起，科学家和其他用户可以访问任意在轨遥感卫星，同时可以指令和控制这些遥感卫星，以获取所需数据。有关专家预计到2010年或更远一段时期，现有的对地观测卫星将为智能系统所取代。预想中的智能系统将是一个地球观测遥感器、数据处理器和通信系统动态的、全面的星上综合的天基结构系统。它能进行同步的、全球性的观测，为实时的、移动的、专业的和普通的用户提供及时的地球环境分析数据。三、对地观测系统向综合与协作发展不管卫星大小，如果组成星座，可以最大可能地缩短重访周期；目前此类卫星仍以极轨和中倾角轨道为主，未来将向低轨道和地球静止轨道延伸。单颗卫星无法发现相互关联的整体诸多因素，对快速变化的情况，只能观测到现象，而分析原因的资料不足。预测变化趋势，需要连续观测数据，对某些观测对象需要进行快速、重复观测。把各种轨道、各种遥感器结合起来，同时观测具有相关性的诸要素，因而获得的“数据”可非常方便地进行融合、集成、外推，形成“信息”的周期可大大缩短。与数据中继、通信、导航定位等卫星功能融合，不仅可快速重访，大大提高观测频度，发现规律，认识本质，而且还可实现快速定性、快速定量、快速定位。这些对于快速变化的信息社会，对快速发展的经济形势及快速变化的资源和环境，将成为重要的信息获取和信息传输、分发手段。现在，全球有数以千计的个人科技装置用于地球观测。全球海洋上有数千个固定的和自由浮动的数据浮标，有数千个陆基环境台站，还有50多个轨道环境卫星，它们提供了数百万的观测资料。尽管地球观测的可用性和特异性有了新进展，但是目前对观测资料的收集、整合、储存、分析和共享还是零碎的和不完善的，这是因为大多数观测技术还是单个使用而不是集成的。例如，由于目前在数据接收方面的时间滞后（有时长达45天），干旱的严重程度可能被显著的低估或高估，从而对农业、公用事业、能源、运输、旅游、医疗保健系统以及其他方面造成压力。当把这些单个技术连接成一个全面的综合系统时，集成的数据集就可以用于解决复杂的学科之间的问题，如干旱、空气质量、灾难预警效率、气候变率的理解及其他方面。对地观测未来技术需求通过调研美国、欧洲、英国、加拿大等一些遥感大国地球科学研究的需求和急需解决的重点问题，表1列举出一些迫切需求的设备目录与科学需求程度。从国家资助的角度、设备开发能力、与其他国家的竞争力、在其他领域的潜在应用价值（如除对地观测外，还可用于机载与地面观测）、开发的成本（排除平台和其他系统建设的开支）、投入使用的时间需求、以及与其他对地观测传感器相比成熟程度如何等指标对国际上典型的遥感大国进行调研分析，圈定有限资助的技术范围，确定对地观测未来的技术需求主要表现在9个方面。1．主动和被动微波遥感技术主动微波遥感未来应着重开发具有分布式T/R模块的、大型轻便的、可伸展的天线系统；被动微波遥感应研发大的直径达30m的伸展天线，包括全孔径和合成孔径；多频率多极化反馈系统；多打造几百个低成本接收器（1～350GhZ）列阵式成像系统、外差法的接收器（300GhZ～2.3ThZ）以及大型综合阵列的信号分发成像系统满足科学研究需求。加强廓线雷达在植被研究以及地形的复杂评估中的应用、GPSX线断层摄影术在水蒸气精确评估方面的应用、以及L波段雷达在海岸带变形研究中的应用。2．数据同化技术未来需要进一步加强数据同化技术的研究，使对地观测所提供的关于地球系统演化方面的全球统一的数据达到最优化。目前大部分的研究机构利用的是大气（包括正在运行的，研究机构的以及基地和卫星数据）和海洋观测资料，并将重点放在从Envisat获取的数据上，他们迫切希望能够用数据同化来开发利用土地观测资料和大气中生物地球化学过程的观测资料。3．合成的光圈原理联合干涉测量技术目前在低层大气的测量方面存在很大的差距，由于在极区大气层对热通量的影响是很关键的，所以，该技术对理解冰层与大气和海洋之间交换的调节（或影响）作用起到了很重要的影响。冰层与海洋以及冰层与大气之间的界面过程目前研究很少。还有海洋水循环方面的研究目前也涉及很少。目前使用一系列对地观测工具提供一些必需的数据，包括雷达高度计，它用于测量海冰厚度和冰层地形学。此外，SAR用于测量冰层和海冰的运动。由于具有测量体积通量的能力，活动的微波遥感也是很有作用的。英国近期将发射的Icesat和计划发射的GRAS都将携带激光高度计。4．植被冠层雷达技术估计植被和土壤中碳平衡的变化及陆地碳影响全球过程的作用，尤其是CO2释放引起的全球变暖，是目前以及未来的研究热点。现在主要的手段是光学传感器，包括激光雷达，可以用来测量光合作用的数量，由此可获知碳固定数量。为了量化植被和森林中树木生物量，低频雷达如L波段、P波段雷达经常会用到。此外，干涉仪和偏振仪技术在测量树木高度方面会有应用，因为这项测量将直接关系到生物量。为了能够测量生物量中究竟有多少转化成了大气碳，测量工具主要是燃烧红外传感器和雷达。当然碳通量也受其他因素影响，如雪覆盖量、土壤湿度（以及水文学）、土地利用等，这些因素也可以利用对地观测来测量结果。在任何特殊地区，边界条件都在影响着碳过程。所以未来需要用到各种不同的对地观测技术，包括多重/超级光谱仪。5．利用IR和光学波长来探测火源和燃烧的火星技术MODIS是第一个能允许进行火灾测量的传感器，但由于其再访时间问题导致很多活动着的火点可能被漏测。利用MODIS4μm测量法可以检测1ha尺寸上的部分火源点，在没有乌云的情况下，MODIS能够探测到火源燃烧所释放的95%以上的能量辐射。NASA的ASTER对火灾研究也是非常有用的，它有3个望远镜：VNIR、SWIR和TIR，14个光谱频道，和MODIS相比具有更好的空间分辨率。未来对探测火源和燃烧火星的研究，希望能利用IR波长和光学波长技术手段，更好地研究植被燃烧对地表的影响，对有害气体排放的影响，对大气中气溶胶的影响，帮助进行植被燃烧数量的确定，量化燃烧源本身的密度，预算对地球大气化学和辐射产生的影响以及评估热产生率和生物消耗率。6．利用激光雷达测量大气技术利用激光雷达测量大气，构建全球气候系统模型。目前ENVISAT就提供了大量的大气传感器：MIPAS－IR傅利叶变换分光计用来测大气成分、SCIAMACHY－测痕量气体的吸收分光计和MWR－湿度和水分的被动微波测量。多普勒雷达可以提供晴朗天气中不同高度的风速。未来技术需要一个非常有用的大气传感器。有很多探测任务已经被提了出来，其中包括一些新的大气测量：EarthCARE探测云层垂直剖面的雷达；WALES探测水蒸气含量的一种高分辨率的雷达；WATS测量水蒸气和温度的无线电接收装置；ACECHEM可利用三支可视传感器（毫米波长分光计、MWIR分光计